CN102757910A - 鼠伤寒沙门菌UF110lux及其在活体成像中的应用 - Google Patents
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Abstract
鼠伤寒沙门菌UF110lux及其在活体成像中的应用，该菌株已在国家知识产权局指定的保藏单位保藏，保藏日期为2012年3月13日，保藏单位名称：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCCNo.5893。鼠伤寒沙门菌UF110是将毒力质粒上spv基因敲除的菌株，可作为对照用于研究鼠伤寒沙门菌毒力基因spv的功能。UF110lux是在其基础上构建的具有稳定生物发光性能的菌株。弥补了传统荧光标记的不足，结合利用活体成像仪器可实时动态地续监测鼠伤寒沙门菌在小鼠活体内的入侵、增殖及扩散情况。为鼠伤寒沙门菌致病机制的深入研究提供便利的工具。
Description
技术领域
本发明属于微生物技术领域，特别涉及鼠伤寒沙门菌UF110lux及其在活体成像中的应用。
背景技术
鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium)宿主范围广泛，感染发病率高，是目前食品安全、农业、畜牧业和医学领域研究的热点。沙门菌质粒毒力基因spv (Salmonella plasmid virulence genes)是沙门菌毒力质粒上的的高度保守序列。编码的产物和细菌的毒力表型关系最为密切，能增加沙门菌在肠外组织细胞内的增值，并与细菌血清抗性、 粘附与定居有关；另外spv 基因还可影响细菌在胞内存活和宿主细胞的自噬凋亡。UF110是鼠伤寒沙门菌毒力质粒上spv敲除的菌株，可作为对照用于研究鼠伤寒沙门菌毒力基因spv的功能。
近年来，活体动物体内光学成像技术以其操作简便及直观性在生命科学研究中得以不断发展。这种成像技术可以直接实时观察标记的基因及细胞在活体动物体内的活动及反应。利用光学标记的细菌建立动物模型可以实时动态追踪病原菌在动物活体内的感染过程，深入研究病原菌致病机制，进行药物研究及筛选等。
生物发光技术是目前活体成像研究的热点，它是用荧光素酶(luciferase)基因标记。以荧光素酶作为体内报告源的生物发光是以酶和底物的特异作用而发光，特异性极强，因动物本身没有任何自发光，使得生物发光相较传统的荧光技术具有极低的背景，极高的信噪比。细菌荧光素酶基因操纵子LuxCDABE由荧光素酶基因和其底物合成酶基因组成，其标记的细菌会持续发光不需要外源性底物。近年来研究者们陆续将其克隆至多种载体导入病原菌中，应用生物发光技术和小动物成像系统监测病原菌感染过程。但以质粒为基础的生物发光技术在无抗生素选择下不稳定，不能用于体内的长期研究。对实验小鼠注射抗生素来筛选携带完整发光质粒的沙门菌，会造成小鼠的耐药性，且会在某种程度上干扰实验结果。又因质粒的拷贝数不同，单细胞发光强度不稳定，无法以发光强度来定量检测病原菌。2010年，Kevin Howe构建质粒pBEN276，利用该质粒可将Lux操纵子克隆至细菌染色体(图1)，其生物发光信号可以用于精确定量，本发明由此在鼠伤寒沙门菌UF110基础上构建了具有稳定生物发光性能的菌株UF110lux，可作为对照在动物活体内实时观察spv基因对细菌致病过程的影响。
发明内容
解决的技术问题：
本发明针对荧光标记的体内检测特异性低，背景高，难定量等缺陷，及以往以基于质粒的生物发光检测需外加筛选压力和底物，且难以定量等不足，提供了一种可以稳定发光的鼠伤寒沙门菌UF110lux及其在活体成像中的应用。
技术方案：
鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium) UF110lux，该菌株已在国家知识产 权局指定的保藏单位保藏，保藏日期为2012年3月13日，保藏单位名称：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCC No.5893。鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium) UF110lux在活体成像中的应用。
鼠伤寒沙门菌（Salmonella typhimurium）UF110下文简称UF110；鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium) UF110lux下文简称UF110lux。
有益效果：该鼠伤寒沙门菌具有稳定的生物发光性能，弥补了生物荧光的细菌检测需激发光源且在体内特异性低，背景高，难定量等缺陷。经位点特异性重组，将管家基因E.coli frr启动子和Lux操纵子插入宿主菌染色体中稳定表达（同时插入位点不破坏基因组基因功能，对细菌无不利影响）。Lux操纵子在其上游连接的管家基因E.coli frr启动子的调控下，组成性表达荧光素酶和底物，无需外加筛选压力和底物维持细菌发光。并通过实验检测到细菌的数量与其发光强度成正比，且在小鼠活体内能持续检测到细菌的生物发光。弥补了以往质粒标记的生物发光细菌需外加筛选压力和底物，影响发光检测，且单位细胞发光量不稳定等不足之处。荧光酶基因插入染色体中稳定表达，单位细胞的发光数量很稳定。加上生物发光技术极高的特异性和信噪比，即便标记细胞在动物体内有复杂的定位，亦可从动物体表的信号水平直接得出发光细胞的相对数量。可广泛应用于体外细胞感染模型和体内实验动物模型的建立。结合利用活体成像仪器可实时动态的持续监测鼠伤寒沙门菌在小鼠活体内的入侵、增殖及扩散情况。为鼠伤寒沙门菌及伤寒沙门菌致病机制的深入研究，药物研究和筛选及相关疾病防治策略的研究等提供便利的工具。
附图说明
图1为pBEN276质粒图谱，tnsABCD为编码Tn7转座子的基因。操纵子luxCDABE编码荧光素酶和底物，引入多克隆酶切位点Xho1和Not1，将其连接于Tn7转座子侧翼。Lux操纵子3’端连接E.coli管家基因frr的启动子，启动Lux操纵子的组成性表达。
图2为菌落生物发光检测结果(1和2依次为UF110lux单菌落在whitelight和luminescence条件下成像，3和4依次为UF110单菌落在whitelight和luminescence条件下成像)。
图3为菌液光子数与细菌数关系的检测结果(1~5：UF110lux菌量倍增；6：UF110阴性对照)。
图4为光子数与细菌数关系图。
图5UF110lux生物发光稳定性检测结果。
图6为稳定发光菌在活体内（麻醉后观察小鼠）脏器的定位（1，2，3依次为将感染UF110lux的小鼠解剖后，取其脏器于white light模式成像，luminescence模式成像和merge图像）。
具体实施方式
实施例 1
菌株具体构建及鉴定：
1、材料准备
1.1质粒与菌株
质粒pBEN276由法国自然资源研究所动物传染病和公共健康病原菌研究实验室Pierre Germon教授惠赠。【Kevin Howe, Attila Karsi, Pierre Germon, et.al. Development of stable reporter system cloning luxCDABE genes into chromosome of Salmonella enterica serotypes using Tn7 transposon [J]. BMC Microbiology 2010, 10:197】
鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium) UF110lux由美国亚利桑那州立大学生物科学学院ROY CURTISS III教授惠赠。【HIDENORI MATSUI， CHRISTOPHER M. BACOT， WENDY A. Virulence Plasmid-Borne spvB and spvC Genes Can Replace the 90-Kilobase Plasmid in Conferring Virulence to Salmonella enterica Serovar Typhimurium in Subcutaneously Inoculated Mice[J]. Journal of bacteriology， 2001， 15(183): 4652–4658.】
1.2 仪器与试剂
仪器：电转仪（Bio-RadGene Pulser II system）为美国Bio-Rad产品；
高速冷冻离心机Beckaman公司产品；
柯达多模式小动物活体成像系统DXS4000pro；
试剂：质粒提取试剂盒QIAGEN Plasmid MaxKit购自Qiagen 公司。
2 方法
2.1目的菌株的转化
2.1.1感受态细胞制备：平板划线法接种鼠伤寒沙门菌UF110至LB固体培养基，37℃倒置培养过夜。挑取个体圆润有光泽的单菌落接种到3mL LB液体培养基，37℃，200r/min培养过夜。将培养物以1:100的体积比例接种到100mL生长培养基中，37℃，250r/min培养至OD600为0.3时取出培养物，立即冰浴30min。4℃，4000r/min离心10min，收集菌体。用4℃预冷的超纯水洗三遍，以50μL预冷的超纯水重悬，冰上放置待用。
2.1.2电转化方案：将质粒pBEN276加入到50μL感受态细胞中，混合均匀后转入预冷的1mm电极杯。再调节电压、电阻及电容参数为2.5kV，400Ω，50μF，电击后迅速加入30℃预热的SOC培养基1mL。将电击后的菌液转移至试管，37℃，100r/min培养1~3h。取100 μL涂布于含40μg/mL氨苄青霉素的LB平板上，37℃培养过夜。
2. 2转化子鉴定
阳性克隆从含50μg/mL Amp的LB琼脂平板上挑出接种至2mL含50μg/mL Amp的液体LB培养基30℃，200rpm培养14~16h，将菌液转移至24孔板检测生物发光。同时提取质粒进行酶切鉴定和PCR鉴定，并接种于SS固体培养基进行鼠伤寒沙门菌生化鉴定。
2.3诱导转座子重组
将上述经鉴定的转化子接种至含0.1%wt阿拉伯糖的LB液体培养基30℃，200rpm培养14~16h。诱导后的菌液于无抗生素LB固体培养基平板上划线，42℃培养14~16h。各挑选6个单克隆接种于液体LB培养基42℃，200rpm培养14~16h，菌液转移至24孔板检测生物发光。
2.4筛选稳定表达Lux操纵子的克隆
挑选出重组后能发光的菌液于含50μg/mL Amp固体LB培养基上划线，同时在无抗生素培养基中继续传代37℃培养，定量检测细菌发光情况。筛选出无抗生素抗性且多次传代能稳定发光的菌落。
菌株的培养增殖方法：
UF110lux为兼性厌氧菌，在普通LB培养基中可生长，培养基成分：蛋白胨10g，酵母提取物5g，NaCl 10g，溶于1L水，pH=7±0.2，培养温度37℃下可稳定增殖。新菌种UF110lux区别于UF110的是具有稳定的生物发光性能。Lux操纵子的位点特异性插入染色体，对细菌的其他生理特性无影响。
菌种形态与生化特性检测：
液体LB培养基37℃培养过夜细菌均匀浑浊。取一环菌液适当稀释后革兰染色镜检，该菌为革兰阴性杆菌。用固体LB培养基37℃培养18h，形成乳白色菌落，表面光滑，边缘整齐，直径1~3mm。SS培养基37℃培养18~24h上菌落形态为中等大小、圆形、光滑、乳白色、菌落中心黑色，硫化氢阳性。挑取单菌落接种于生化管检测生化特性，该菌不发酵乳糖和蔗糖，能发酵葡萄糖、甘露醇、麦芽糖。挑取单菌落接种于半固体琼脂，37℃培养18~24h ，细菌呈羽毛状生长，动力阳性。
菌落生物发光检测：
分区划线法将UF110lux接种于LB平板，37℃，培养14~16h。待长出单菌落后，将平板置于多模式活体成像仪中进行生物发光检测。在生物发光检测模式下，可见发光菌单菌落，而普通细菌单菌落不可见（图2）。
菌液生物发光检测光子数与细菌数的关系：
UF110lux单菌落接种至液体LB培养基37℃，200rpm培养14~16h，菌液转移至24孔板，倍比稀释菌液，检测生物发光。光子量与细菌量成线性关系（图3，4）。
生物发光稳定性检测
将UF110lux单菌落接种至无抗生素液体LB培养基，每天传代培养至12天，每3天收集菌液，以OD600为标准稀释至相同体积相同浓度，在活体成像仪中进行生物发光检测，记录发光强度。UF110lux具有稳定的生物发光性能（如图5）。
实施例 2
鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium) UF110lux在活体成像中的应用
1.细菌培养
从固体LB琼脂平板上挑选单克隆接种至LB液体培养基中，37℃，200rpm培养14~16h至对数生长期。4000rpm， 4℃，10min离心收集菌体，经生理盐水洗两遍（4000rpm，4℃，10min）后，用生理盐水重悬，测OD600 计算细菌浓度。用生理盐水梯度稀释待用。
2.小鼠感染方法（腹腔注射或口饲感染）
2.1腹腔注射感染
选取8-12周BALB/C或C57BL小鼠，以50μL浓度105CFU/mL的菌液腹腔注射感染小鼠。
2.2.口饲感染
8-12周BALB/C或C57BL小鼠禁食禁水6h后，以50μL 10%wt的NaHCO3灌胃，中和胃酸，以体积0.2 mL浓度107CFU/mL的菌液灌胃感染小鼠，半小时后恢复喂食。
3.活体成像方法
以10%wt水合氯醛0.1mL经腹腔注射麻醉小鼠，待麻醉生效（约30min）后利用小动物成像仪成像。首先在白光（white light）条件下成像，只可见小鼠。然后在生物发光（luminescence）条件下成像，只可见发光菌。将两次成像结果归并（merge），可见发光菌感染后播散到的部位，解剖后可具体分析细菌在深层脏器的定位（图6）；经光子量分析可计算发光菌在体内的增殖情况。
Claims (2)
1.鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium) UF110lux，该菌株已在国家知识产权局指定的保藏单位保藏，保藏日期为2012年3月13日，保藏单位名称：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号：CGMCC No.5893。
2.鼠伤寒沙门菌(Salmonella typhimurium) UF110lux在活体成像中的应用。
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